Los ácidos nucleicos son biomoléculas grandes que son cruciales en todas las células y virus. [1] Están compuestos por nucleótidos , que son los componentes monómeros : un azúcar de 5 carbonos , un grupo fosfato y una base nitrogenada . Las dos clases principales de ácidos nucleicos son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Si el azúcar es ribosa , el polímero es ARN; si el azúcar es desoxirribosa , una variante de ribosa, el polímero es ADN.
Los ácidos nucleicos son compuestos químicos que se encuentran en la naturaleza. Transportan información en las células y forman el material genético. Estos ácidos son muy comunes en todos los seres vivos, donde crean, codifican y almacenan información en cada célula viva de cada forma de vida en la Tierra. A su vez, envían y expresan esa información dentro y fuera del núcleo celular. Desde el funcionamiento interno de la célula hasta las crías de un ser vivo, contienen y proporcionan información a través de la secuencia de ácidos nucleicos . Esto le da al ARN y al ADN su inconfundible orden de nucleótidos en forma de "escalera" dentro de sus moléculas. Ambos juegan un papel crucial en la dirección de la síntesis de proteínas .
Se unen cadenas de nucleótidos para formar cadenas principales en espiral y se ensamblan en cadenas de bases o pares de bases seleccionados de las cinco nucleobases primarias o canónicas . El ARN suele formar una cadena de bases simples, mientras que el ADN forma una cadena de pares de bases. Las bases que se encuentran en el ARN y el ADN son: adenina , citosina , guanina , timina y uracilo . La timina se encuentra sólo en el ADN y el uracilo sólo en el ARN. Utilizando la síntesis de aminoácidos y proteínas , [2] la secuencia específica en el ADN de estos pares de nucleobases ayuda a mantener y enviar instrucciones codificadas como genes . En el ARN, la secuenciación de pares de bases ayuda a producir nuevas proteínas que determinan la mayoría de los procesos químicos de todas las formas de vida.
El ácido nucleico fue descubierto por primera vez por Friedrich Miescher en 1869 en la Universidad de Tubinga , Alemania. Le dio su primer nombre como nucleína . [4] A principios de la década de 1880, Albrecht Kossel purificó aún más la sustancia y descubrió sus propiedades altamente ácidas. Posteriormente también identificó las nucleobases . En 1889, Richard Altmann acuñó el término ácido nucleico; en aquella época el ADN y el ARN no estaban diferenciados. [5] En 1938, Astbury y Bell publicaron el primer patrón de difracción de rayos X del ADN. [6]
En 1944 el experimento de Avery-MacLeod-McCarty demostró que el ADN es el portador de información genética y en 1953 Watson y Crick propusieron la estructura de doble hélice del ADN . [7]
Los estudios experimentales de ácidos nucleicos constituyen una parte importante de la investigación biológica y médica moderna y forman la base del genoma y la ciencia forense , así como de la biotecnología y las industrias farmacéuticas . [8] [9] [10]
El término ácido nucleico es el nombre general del ADN y el ARN, miembros de una familia de biopolímeros , [11] y es sinónimo de polinucleótido . Los ácidos nucleicos recibieron su nombre por su descubrimiento inicial dentro del núcleo y por la presencia de grupos fosfato (relacionados con el ácido fosfórico). [12] Aunque se descubrieron por primera vez dentro del núcleo de las células eucariotas , ahora se sabe que los ácidos nucleicos se encuentran en todas las formas de vida, incluidas bacterias , arqueas , mitocondrias , cloroplastos y virus (existe un debate sobre si los virus son vivos o no). viviendo ). Todas las células vivas contienen ADN y ARN (excepto algunas células, como los glóbulos rojos maduros), mientras que los virus contienen ADN o ARN, pero normalmente no ambos. [13] El componente básico de los ácidos nucleicos biológicos es el nucleótido , cada uno de los cuales contiene un azúcar pentosa ( ribosa o desoxirribosa ), un grupo fosfato y una nucleobase . [14] Los ácidos nucleicos también se generan en el laboratorio, mediante el uso de enzimas [15] (ADN y ARN polimerasas) y mediante síntesis química en fase sólida .
Los ácidos nucleicos son generalmente moléculas muy grandes. De hecho, las moléculas de ADN son probablemente las moléculas individuales más grandes que se conocen. Las moléculas de ácido nucleico biológico bien estudiadas varían en tamaño desde 21 nucleótidos ( pequeño ARN de interferencia ) hasta cromosomas grandes ( el cromosoma humano 1 es una única molécula que contiene 247 millones de pares de bases [16] ).
En la mayoría de los casos, las moléculas de ADN naturales son bicatenarias y las moléculas de ARN son monocatenarias. [17] Sin embargo, existen numerosas excepciones: algunos virus tienen genomas hechos de ARN bicatenario y otros virus tienen genomas de ADN monocatenario [18] y, en algunas circunstancias, se pueden formar estructuras de ácido nucleico con tres o cuatro cadenas. [19]
Los ácidos nucleicos son polímeros lineales (cadenas) de nucleótidos. Cada nucleótido consta de tres componentes: una nucleobase purina o pirimidina (a veces denominada base nitrogenada o simplemente base ), un azúcar pentosa y un grupo fosfato que vuelve ácida la molécula. La subestructura que consta de una nucleobase más azúcar se denomina nucleósido . Los tipos de ácidos nucleicos difieren en la estructura del azúcar en sus nucleótidos: el ADN contiene 2'- desoxirribosa mientras que el ARN contiene ribosa (donde la única diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo ). Además, las nucleobases que se encuentran en los dos tipos de ácidos nucleicos son diferentes: la adenina , la citosina y la guanina se encuentran tanto en el ARN como en el ADN, mientras que la timina se encuentra en el ADN y el uracilo en el ARN. [ cita necesaria ]
Los azúcares y fosfatos de los ácidos nucleicos están conectados entre sí en una cadena alterna (esqueleto azúcar-fosfato) mediante enlaces fosfodiéster . [20] En la nomenclatura convencional , los carbonos a los que se unen los grupos fosfato son los carbonos del extremo 3' y del extremo 5' del azúcar. Esto da direccionalidad a los ácidos nucleicos , y los extremos de las moléculas de ácido nucleico se denominan extremos 5' y extremos 3'. Las nucleobases se unen a los azúcares mediante un enlace N -glucosídico que involucra un anillo de nucleobase nitrógeno ( N -1 para pirimidinas y N -9 para purinas) y el carbono 1' del anillo de azúcar pentosa.
Los nucleósidos no estándar también se encuentran tanto en el ARN como en el ADN y generalmente surgen de la modificación de los nucleósidos estándar dentro de la molécula de ADN o del transcrito de ARN primario (inicial). Las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) contienen una cantidad particularmente grande de nucleósidos modificados. [21]
Los ácidos nucleicos bicatenarios se componen de secuencias complementarias, en las que el emparejamiento extenso de bases de Watson-Crick da como resultado una estructura tridimensional de doble hélice de ácido nucleico muy repetida y bastante uniforme . [22] Por el contrario, las moléculas de ARN y ADN monocatenarias no están constreñidas a una doble hélice regular y pueden adoptar estructuras tridimensionales altamente complejas que se basan en tramos cortos de secuencias intramoleculares de pares de bases, incluidas las de Watson-Crick y las no canónicas. pares de bases y una amplia gama de interacciones terciarias complejas. [23]
Las moléculas de ácido nucleico generalmente no están ramificadas y pueden presentarse como moléculas lineales y circulares. Por ejemplo, los cromosomas bacterianos, los plásmidos , el ADN mitocondrial y el ADN del cloroplasto suelen ser moléculas circulares de ADN bicatenario, mientras que los cromosomas del núcleo eucariótico suelen ser moléculas lineales de ADN bicatenario. [13] La mayoría de las moléculas de ARN son moléculas lineales monocatenarias, pero tanto moléculas circulares como ramificadas pueden resultar de reacciones de empalme de ARN . [24] La cantidad total de pirimidinas en una molécula de ADN de doble cadena es igual a la cantidad total de purinas. El diámetro de la hélice es de unos 20 Å .
Una molécula de ADN o ARN se diferencia de otra principalmente en la secuencia de nucleótidos . Las secuencias de nucleótidos son de gran importancia en biología ya que contienen las instrucciones fundamentales que codifican todas las moléculas biológicas, conjuntos moleculares, estructuras subcelulares y celulares, órganos y organismos, y permiten directamente la cognición, la memoria y el comportamiento. Se han realizado enormes esfuerzos en el desarrollo de métodos experimentales para determinar la secuencia de nucleótidos de las moléculas biológicas de ADN y ARN, [25] [26] y hoy en día se secuencian cientos de millones de nucleótidos diariamente en centros genómicos y laboratorios más pequeños de todo el mundo. Además de mantener la base de datos de secuencias de ácidos nucleicos de GenBank, el Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) proporciona recursos de análisis y recuperación de los datos de GenBank y otros datos biológicos disponibles a través del sitio web del NCBI. [27]
El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas utilizadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos. El ADN químico se descubrió en 1869, pero su papel en la herencia genética no se demostró hasta 1943. Los segmentos de ADN que portan esta información genética se denominan genes. Otras secuencias de ADN tienen fines estructurales o participan en la regulación del uso de esta información genética. Junto con el ARN y las proteínas, el ADN es una de las tres macromoléculas principales esenciales para todas las formas de vida conocidas. El ADN consta de dos polímeros largos de unidades monoméricas llamadas nucleótidos, con cadenas principales formadas por azúcares y grupos fosfato unidos por enlaces éster. Estas dos hebras están orientadas en direcciones opuestas entre sí y son, por tanto, antiparalelas . Unido a cada azúcar hay uno de los cuatro tipos de moléculas llamadas nucleobases (informalmente, bases). Es la secuencia de estas cuatro nucleobases a lo largo de la columna vertebral la que codifica la información genética. Esta información especifica la secuencia de los aminoácidos dentro de las proteínas según el código genético . El código se lee copiando tramos de ADN en el ARN del ácido nucleico relacionado en un proceso llamado transcripción. Dentro de las células, el ADN está organizado en largas secuencias llamadas cromosomas. Durante la división celular, estos cromosomas se duplican en el proceso de replicación del ADN, proporcionando a cada célula su propio conjunto completo de cromosomas. Los organismos eucariotas (animales, plantas, hongos y protistas) almacenan la mayor parte de su ADN dentro del núcleo celular y parte de su ADN en orgánulos, como las mitocondrias o los cloroplastos. Por el contrario, los procariotas (bacterias y arqueas) almacenan su ADN únicamente en el citoplasma. Dentro de los cromosomas, las proteínas de la cromatina, como las histonas, compactan y organizan el ADN. Estas estructuras compactas guían las interacciones entre el ADN y otras proteínas, ayudando a controlar qué partes del ADN se transcriben. [ cita necesaria ]
El ácido ribonucleico (ARN) convierte la información genética de los genes en secuencias de aminoácidos de las proteínas. Los tres tipos universales de ARN incluyen el ARN de transferencia (ARNt), el ARN mensajero (ARNm) y el ARN ribosómico (ARNr). El ARN mensajero actúa para transportar información de secuencia genética entre el ADN y los ribosomas, dirige la síntesis de proteínas y transporta instrucciones desde el ADN en el núcleo hasta los ribosomas. El ARN ribosómico lee la secuencia del ADN y cataliza la formación de enlaces peptídicos. El ARN de transferencia sirve como molécula portadora de aminoácidos que se utilizarán en la síntesis de proteínas y es responsable de decodificar el ARNm. Además, ahora se conocen muchas otras clases de ARN . [ cita necesaria ]
Se han diseñado y sintetizado análogos artificiales de ácidos nucleicos. [28] Incluyen ácido nucleico peptídico , morfolino y ácido nucleico bloqueado , ácido nucleico glicol y ácido nucleico treosa . Cada uno de estos se distingue del ADN o ARN natural por cambios en la columna vertebral de las moléculas. [ cita necesaria ]
